永定河不同河段生態(tài)護(hù)岸模式研究

永定河不同河段生態(tài)護(hù)岸模式研究

目前，河流治理注重生態(tài)和景觀，河流生態(tài)保護(hù)已成為當(dāng)前環(huán)境問題。北京市從2002年開始實(shí)施生態(tài)治河工程,修復(fù)河流是生態(tài)治河的核心內(nèi)容。永定河是海河水系最大的一條河流,是首都重要的防洪安全屏障、供水水源河道和水源保護(hù)區(qū),近年來河流干涸斷流、生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重,實(shí)現(xiàn)河流“自然景觀、城市景觀和田園景觀”河道建設(shè)至關(guān)重要。生態(tài)護(hù)岸利用植物或者植物與土木工程相結(jié)合,對河道坡面進(jìn)行防護(hù)、促進(jìn)河流生態(tài)修復(fù),重視河道生態(tài)、安全、親水、景觀效果建設(shè),是河道治理的新方法、新趨勢,其應(yīng)用已經(jīng)成為一種需求被提上日程。國內(nèi)外對于生態(tài)護(hù)岸的研究集中在生態(tài)護(hù)岸的機(jī)理、新型材料開發(fā)、護(hù)岸技術(shù)研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用方面,主要是根據(jù)護(hù)岸的結(jié)構(gòu)材料、護(hù)岸措施類型和護(hù)岸部位劃分護(hù)岸形式,常用的護(hù)岸技術(shù)包括自然型護(hù)岸、土壤生物工程護(hù)岸、三維植被網(wǎng)護(hù)岸、植物護(hù)坡技術(shù)等。目前研究欠缺的是:根據(jù)河流岸坡的特點(diǎn)評價(jià)生態(tài)護(hù)岸效果,研究護(hù)岸模式的適宜性以及將示范區(qū)的生態(tài)護(hù)坡模式推廣到護(hù)岸。本文在定量分析上辛莊9種護(hù)坡措施的土壤抗侵蝕效果,調(diào)查永定河“蓮石湖—門城湖”示范段的河岸特點(diǎn),定性分析11種生態(tài)護(hù)岸技術(shù)的防護(hù)效果和配置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出永定河不同河段適宜的生態(tài)護(hù)岸模式和適宜推廣到護(hù)岸的護(hù)坡措施。其研究結(jié)果可為北京市永定河綠色生態(tài)走廊建設(shè)規(guī)劃提供理論依據(jù),為我國防洪河流生態(tài)護(hù)岸技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考價(jià)值。1學(xué)習(xí)方法1.1生態(tài)護(hù)坡工程永定河全長747km,流域總面積4.7萬km2,是全國四大重點(diǎn)防洪江河之一,其中北京段長170km,流經(jīng)門頭溝、石景山、豐臺(tái)、大興和房山五個(gè)區(qū),地理區(qū)位見圖1。北京市永定河“蓮石湖—門城湖”示范段布設(shè)了11種生態(tài)護(hù)岸技術(shù),形成了溪流—湖泊—濕地連通的河流生態(tài)系統(tǒng)。其河岸設(shè)計(jì)特點(diǎn)為:河岸高程為80~100m,流速為1~3m/s,門城湖(三家店—麻峪河段)河道長5.24km,平均寬294m,總面積172hm2,水面面積67hm2。蓮石湖(石景山—京原橋)河道長5.8km,平均寬376m,總面積226hm2,水面面積105hm2。北京市延慶縣上辛莊生態(tài)示范區(qū)以“徑流小區(qū)布設(shè)不同生態(tài)護(hù)坡措施”展示了開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目護(hù)坡工程的案例和研發(fā)的新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。根據(jù)布設(shè)的護(hù)坡類型和水土流失監(jiān)測的需要,設(shè)計(jì)了36個(gè)徑流小區(qū),分4組不同的規(guī)格,選取北京市滑雪道、濕地、河岸護(hù)坡措施的示范小區(qū)K1—K9,其基本特征為:土質(zhì)邊坡,坡向向北,面積5m×11.18m,坡比1∶2(26.5°),具體情況詳見表1。1.2測定總泥沙量和泥沙含沙量在2008—2010年33場出流場降雨條件下,對上辛莊K1—K9號徑流小區(qū)進(jìn)行植被調(diào)查和徑流量、泥沙量的采樣測定。植被覆蓋度采取等距不連續(xù)采樣,計(jì)算出現(xiàn)植被的樣數(shù)和總植被樣數(shù),求比值得出。小區(qū)泥沙量和徑流量是對K1—K9小區(qū)分別采集2個(gè)水樣(容積750ml),測出桶內(nèi)泥水總量,采取水樣含沙量過濾干法測定含沙量,求出平均含沙量進(jìn)而計(jì)算得出。2011年11月進(jìn)行了永定河“蓮石湖—門城湖”不同河段護(hù)岸措施防護(hù)效果的現(xiàn)場勘察。按照從左岸到右岸,下游到上游的路線調(diào)查,結(jié)合永定河設(shè)計(jì)資料,得出11種護(hù)岸技術(shù)配置的河段河流彎曲度、水面朝向、岸坡傾斜度、岸坡抗侵蝕程度、抗水流沖刷度和防護(hù)現(xiàn)狀等指標(biāo)。2結(jié)果與分析2.1生態(tài)護(hù)坡的效果和適應(yīng)性分析2.1.1植被群落特征生態(tài)護(hù)坡也稱植物固坡或坡面生態(tài)工程,可理解為在坡面上種植植物,達(dá)到穩(wěn)定坡面和防止侵蝕的效果,可見生態(tài)護(hù)岸是一種特殊的生態(tài)護(hù)坡。植被具有截留雨量、削減雨滴侵蝕能量和抑制地表徑流等水文功能。植物根系的“加筋”作用可以穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防止土壤侵蝕,莖葉具有截留降雨、削弱濺蝕、抑制徑流的作用。上辛莊示范基地天然分布的植物種類主要有荊條、鐵桿蒿、黃花蒿、米蒿、沙棘、灰菜等,植被調(diào)查結(jié)果見表2。3a內(nèi)各個(gè)小區(qū)出現(xiàn)了較明顯的植被演替變化,較多的外來種和雜草入侵,與原始植物種形成種間競爭關(guān)系。K4號小區(qū)沙打旺代替原始播種的早熟禾和紫穗槐,成為優(yōu)勢種長勢很好。K8號和K9號為相鄰的對照小區(qū),未播種,出現(xiàn)了相同的入侵種,區(qū)別是K8號在2010年遭破壞,成為裸地,K9號鐵桿蒿為優(yōu)勢種(表2)。植被群落特征是描述群落結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的度量指標(biāo),植物種類和數(shù)量直接關(guān)系植被覆蓋度、生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)特征。植被長勢良好的小區(qū),對應(yīng)的植被覆蓋度較大,植被稀疏、長勢不均、出現(xiàn)裸露的小區(qū)植被覆蓋度較小。隨著小區(qū)護(hù)坡年限的增加,平均植被覆蓋度大致呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,K7和K9號小區(qū)在2009年的平均植被覆蓋度達(dá)到最大。分析其原因?yàn)?接近原始設(shè)計(jì)的護(hù)坡年限,植物生長穩(wěn)定均勻,長勢好;2009—2010年植被演替變化明顯,優(yōu)勢種退化,植被長勢不均勻,甚至出現(xiàn)裸露。相比2009年,K7號小區(qū)草灌植物種類最多,K9號自然恢復(fù)程度最好,植被覆蓋度較大。3a內(nèi),平均植被覆蓋度較大的小區(qū)是K4,K1,K3;相比較小的小區(qū)是K8,K7,K9。究其原因,K7等高綠籬埂護(hù)坡植物是生長較慢的沙棘和荊條小灌木,綠化后長時(shí)間無法形成地表覆蓋;K8和K9號未采取植物措施,自然恢復(fù),且K8小區(qū)被人為破壞。說明K1植草護(hù)坡+水平截流溝,K3生態(tài)植被毯護(hù)坡和K4土工格柵+客土護(hù)坡植物成活率高、長勢好,截水溝、土工格柵可以存儲(chǔ)坡面降水,利于植物生長;植被毯護(hù)坡植物的適應(yīng)性相對較差,植物覆蓋度低。2.1.2不同群落植被和抗沖力的影響根據(jù)徑流量和泥沙量測定結(jié)果,以8號裸露小區(qū)為對照,分別計(jì)算出其余8個(gè)小區(qū)的截留率和減沙率,顯示不同護(hù)坡措施的保土和保水性能。用水減沙比表示坡面采取調(diào)控措施后,減流量與減沙量之間的比值,反映出不同處理的坡面,減少的徑流流量與減少的泥沙量比值大小及調(diào)控能力。K1—K9號小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量相關(guān)指標(biāo)值見表3。立地條件相同的同一規(guī)格不同處理的小區(qū),植被截留降水性能和土壤抗沖刷效果差異都很大,體現(xiàn)在不同群落植被和不同防護(hù)工藝方面。截留率比較:K4>K9>K1>K6>K3>K2>K7>K5;減沙率比較:K4>K6>K1>K2>K3>K5>K9>K7,用水減沙比比較:K4>K9>K1>K5>K6>K3>K2>K7?？梢?K4小區(qū)的保土和保水性能最好,徑流攜沙性能最差,蓄水?dāng)r沙效果最好;K1和K2小區(qū)都布設(shè)截流溝和單一植物種,但截留率相差較大;K5和K7號小區(qū)抗土壤沖刷和截留降雨效果相對最差,截留率最小值分別為28.06%,54.92%,但K5小區(qū)用水減沙比達(dá)9.59m3/t;K9號自然恢復(fù)小區(qū)的植被有灰綠藜、鐵桿蒿和狗尾草,植被截留降雨作用明顯,抗土壤沖刷效果差。其原因是:K4灌草植物群落比K1,K2單一草本群落和K9自然恢復(fù)植被的土壤抗沖刷效果好;K1水平截流溝比K2“Y”型截流溝攔截降水和保土的效果都好;K5椰纖植生袋護(hù)坡和K7碼石護(hù)坡的原始種退化,植被適應(yīng)性差,出現(xiàn)裸露,說明植物長勢不好,演替退化的邊坡,加速了徑流的攜沙能力,土壤沖刷量和徑流量很大,植物根系對土壤抗沖性有顯著作用。K9自然恢復(fù)的植被攔截徑流,防止土壤沖刷效果較好,但無工程措施固土能力差,土壤抗沖效果不好。2.1.3不同護(hù)岸工程的推廣效果生態(tài)護(hù)坡應(yīng)是“既滿足河道體系的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),又有利于河道系統(tǒng)恢復(fù)生態(tài)平衡”的系統(tǒng)工程。草本植物對岸坡的保護(hù)效果受岸坡的高度和水位的影響。植被、塊石堆砌等自然原型護(hù)岸多用于河岸緩坡型;木樁、石材等工程措施多用于較陡的坡岸或沖蝕較嚴(yán)重的地段。根據(jù)上辛莊示范區(qū)9種不同護(hù)坡小區(qū)的植被生長狀況、植被覆蓋度和降雨條件下保土保水性能的分析結(jié)果,結(jié)合河岸的特點(diǎn),將護(hù)坡推廣到較陡(約26.5°)的河岸防護(hù)存在的問題和建議模式包括:(1)K3,K4,K5和K6代表護(hù)岸工程,K5椰纖植生毯+客土護(hù)坡,土壤抗沖刷和截留降水效果很差,不適合推廣;K3生態(tài)植被毯護(hù)坡減沙率99.18%,截留率66.99%,因?yàn)橹脖惶簝?nèi)植物的成活率低、適應(yīng)性差,采用抗逆性好、繁殖性強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物種子可推廣到岸坡較低,流速較小的河岸;K6六棱花飾磚護(hù)坡保水性能差,工程防護(hù)抗沖刷性能好,選取淺根系、耐旱、繁殖性強(qiáng)的植物可推廣到流速較大、岸坡較高,河流順直的河岸。土工格柵固土種植基護(hù)坡,草皮生根后草土格柵形成一體,可增加岸坡的穩(wěn)定性。K4土工格柵+客土護(hù)坡保土保水性能最好,植被生長良好,是優(yōu)先的推廣模式,適合親水平臺(tái)附近、迎水面、流速較大的岸坡。(2)K1和K2代表滑雪道道面防護(hù)工程,保土保水性能相對都好,K1高羊茅+水平截流溝的抗土壤沖刷和截留降水效果比K2結(jié)縷草+Y型截留溝好,K2結(jié)縷草長勢不好,植被覆蓋度相對較低。K1更適合推廣到河流彎曲的凹面、流速較小、坡岸較低的岸坡。(3)K7濕地,K8裸露,K9自然恢復(fù)小區(qū):K7等高綠籬埂護(hù)坡植被長勢不好,保土保水性能差,不適合推廣。K8裸露小區(qū)遭到人為破壞,導(dǎo)致產(chǎn)流產(chǎn)沙量很大,造成嚴(yán)重的土壤侵蝕,需要人工維護(hù)。K9自然恢復(fù)小區(qū)植被恢復(fù)程度較好,減沙效果好,可適用于河岸邊坡較寬,施工復(fù)雜的地段,人工播撒草籽,使其自然恢復(fù)。2.2生態(tài)護(hù)岸的影響和適應(yīng)性的分析2.2.1護(hù)岸模式的適宜性評價(jià)永定河護(hù)岸措施結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、護(hù)岸植物的景觀適宜性、護(hù)岸平臺(tái)的親水性都關(guān)乎河流的生態(tài)健康安全性,為永定河“河溪—湖泊—濕地”護(hù)岸適宜性模式的推廣提供重要的依據(jù)。河道斷面形態(tài)、河流彎曲形態(tài)、河岸的坡度和高度等與河流流速相關(guān)。河流的彎曲程度、河床的復(fù)雜形態(tài)、高程起落變化、河面的迎或背水面特點(diǎn)、河流的流速大小、河岸岸坡的傾角高程、坡岸帶周邊水土保持措施或設(shè)施的布設(shè)等,都會(huì)對護(hù)岸模式的配置產(chǎn)生重要的影響,直接關(guān)系河岸的防洪和生態(tài)功能。所以護(hù)岸模式的配置需要綜合考慮河岸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、河流的生態(tài)環(huán)境、護(hù)岸的適生植物、河岸的親水空間等。永定河11種生態(tài)護(hù)岸技術(shù)在不同河段的配置特點(diǎn)見表4。生態(tài)護(hù)岸模式的適宜性需要按照河岸的特點(diǎn)和護(hù)岸的功能綜合考慮(表4)。根據(jù)2011年11月調(diào)查現(xiàn)狀,結(jié)合護(hù)岸技術(shù)的配置特點(diǎn),綜合評價(jià)防護(hù)效果的優(yōu)缺點(diǎn)、防護(hù)措施的適用性和適生的植物種,總結(jié)如下:(1)H1,H2和H3工程措施與扦插柳復(fù)合護(hù)岸比較:SG生態(tài)磚護(hù)岸無坍塌,但親水性差;沒有塊石扦插的柳枝長勢好,但塊石適合緩坡型河岸;卵石具備天然性、生態(tài)性和景觀性的特點(diǎn),但易被沖刷使岸坡坍塌,適合于流速較小、河流彎曲的凹面。(2)H4,H5,H6,H7,H10單一措施護(hù)岸比較:山石親水性好,栽植水生蘆葦不受阻隔,適合生物的憩息,但無植物凈水的效果,適合流速大,河流形態(tài)復(fù)雜的河段;塊石與水生鳶尾配置,穩(wěn)定不易被沖刷,景觀性和生態(tài)性較好,但不適合較陡流速大的岸坡;生態(tài)磚親水性好,保護(hù)岸坡長期穩(wěn)定不坍塌,但景觀單一,不適合水生生物的生存;柳枝長勢茂盛,根系固持岸坡,適合水生植物生長,但河岸邊坡土壤抗沖刷性能差;卵石護(hù)岸景觀性好,減弱水流對岸邊的沖刷,保護(hù)近岸的親水平臺(tái)。(3)H8,H9和H11工程、植物復(fù)合護(hù)岸比較:松木樁扦插柳枝近自然護(hù)岸,順河流彎曲布設(shè),景觀性、生態(tài)性和穩(wěn)定性效果好,適宜湖水較深,水流較大,人類難以親近的地段,防止人為破壞;生態(tài)袋和仿木樁防止河岸坡面的土壤侵蝕,保護(hù)岸坡的穩(wěn)定,但生態(tài)效果和抗水流沖刷效果不好,適合親水平臺(tái)水流較小的岸坡;鉛絲石籠和生態(tài)袋穩(wěn)固岸坡,土壤抗侵蝕和水流沖刷效果很好,防護(hù)年限很長,但生態(tài)袋內(nèi)未采用活種子,景觀生態(tài)效果差,適合流速較大、岸坡較陡的地段。(4)永定河適生的植物種類:柳枝、結(jié)縷草生長良好,水土保持效果明顯,可以有效控制河岸土壤侵蝕,適于湖邊、河岸種植。鳶尾對TN、NH3—N和COD整體去除效果很好,千屈菜和荇菜吸收有害物質(zhì)、凈化水體,景觀效果好,適合淺水洼地。紫穗槐,豆科落葉灌木,具有根瘤菌,能改良土壤;耐陰、耐旱、耐水濕,適于河岸。狗尾草適應(yīng)性強(qiáng),在河岸邊大量種植,可以增加綠化面積以及美化環(huán)境,凈化水質(zhì)。浮萍,多年生細(xì)小草本,漂浮水面,水面覆蓋度較大,美化環(huán)境效果較好。2.2.2河段生態(tài)護(hù)岸的空間組織生態(tài)護(hù)岸是集防洪、生態(tài)、景觀、自凈功能于一體的恢復(fù)后的自然河岸或具有自然河岸可滲透性的人工護(hù)岸。根據(jù)永定河11種護(hù)岸措施在河岸的配置特點(diǎn)和防護(hù)效果的對比,發(fā)現(xiàn)單純植物護(hù)岸、工程護(hù)岸、植物工程復(fù)合護(hù)岸模式存在問題是:(1)單純的植物護(hù)岸防止河岸坍塌效果較差,適合于緩坡性的河岸,為了增加景觀異質(zhì)性和生物多樣性,可配置適宜的水生植物。(2)工程護(hù)岸,可以提供良好的親水平臺(tái),穩(wěn)固河岸抗水流沖刷,但生態(tài)景觀效果差,適合于岸坡較陡,河流曲直變化明顯的河段。(3)工程、植物復(fù)合護(hù)岸,兼顧良好的景觀效果和防護(hù)效果,需要合理配置,關(guān)注河流的親水功能,注重護(hù)岸措施的維護(hù),適合于復(fù)雜變化的河岸坡度和河流形態(tài)等?？梢钥紤]工程護(hù)岸和工程、植物復(fù)合護(hù)岸間隔布設(shè)的形式,最大化的滿足河流的親水、景觀、防護(hù)效果。生物技術(shù)與工程技術(shù)復(fù)合的護(hù)岸保證岸坡的安全穩(wěn)定,提供了生物的棲居空間,景觀層次性好。不同的河段特點(diǎn)適宜于不同的生態(tài)護(hù)岸模式,基于此,針對11種護(hù)岸技術(shù)配置存在的問題,建議采用以下8種互補(bǔ)的護(hù)岸模式:(1)SG生態(tài)磚和扦插柳枝復(fù)合護(hù)岸與SG生態(tài)磚護(hù)岸隔段布設(shè),提供親水平臺(tái),適宜于坡度陡、高程大、流速大的岸坡;(2)山石與塊石扦插柳枝隔段布設(shè),美化景觀效果,適宜于陡緩復(fù)雜、流速較大的岸坡;(3)卵石扦插柳枝和魚巢磚隔斷布設(shè),增加生物的多樣性,適宜于河流彎曲復(fù)雜,坡度較緩的岸坡;(4)栽植蘆葦、鳶尾水生植物與山石或塊石復(fù)合護(hù)岸,增加生態(tài)景觀效果,適宜于坡度陡緩復(fù)雜、自然彎曲河流;(5)扦插柳枝與水生植物混合配置模式,利用植被長勢特點(diǎn),增加人類親水性,適宜于坡度較緩,水流流速較小的岸坡;(6)松木樁攔擋扦插柳復(fù)合護(hù)岸,生態(tài)、景觀、抗沖刷效果好,適宜于河流彎曲多樣化,水位很深、流速較小的岸坡;(7)卵石和水生植物復(fù)合護(hù)岸,增加生態(tài)景觀和植物多樣性,適宜于河流彎